基于DSP 的電源監控單元電路設計

李安陽，呂國飛

（中國船舶集團有限公司第七二六研究所，上海，201108）

0 引言

電源安全是電路系統安全的基石。在產品質量要求越來越高的今天，能否對電源進行實時的監控，對整個電路系統的安全將起到至關重要的作用。在產品的研制、生產過程中也需要對監測的電壓、電流信號進行實時監控，對監測到的參數進行保存，將出現異常的被監測電源進行斷開操作等處理[1-3]。這些需求都需要一個電源實時監測控制電路系統來實現。而市場中電源監控設備存在采集精度低，應用領域單一，工作模式單一，聯網不便等問題。為此本文提出并設計了一種通用性較好的電源實時監控制單元，減少重復性設計給產品研發、生產造成的經濟、時間、人力成本。

1 單元整體設計

電源實時監控單元在設計之初即考慮到外圍電路的干擾問題，為此設計了隔離保護及放大處理電路，待檢測信號只需經過簡單的處理即可接入檢測單元；為了提高檢測精度，采用高分辨率的AD 采集芯片：為使監測數據能實時顯示及數值記錄設計了顯示屏。為使系統的工作模式、應用領域得到拓展設計了嵌入式控制器：考慮到系統的聯網、遠程監控等功能而設計了功能擴展模塊備用接口。

2 電源設計

繼電器及運算放大器等元器件工作所需要的12V 電壓和其他5V 片內供電模塊，在此選48V 轉5V/12V 的XPPower JCP4048T0512 電源模塊。而嵌入式芯片工作需要的1.8V,3.3V，在此選擇TPS73HD318 電源轉換模塊。為了安全，電源的輸入采用自恢復保險絲隔離。

圖1 電源實時監控單結構簡圖

3 隔離保護及運放設計

模擬信號處理通道主要由電壓信號輸入接口、分壓及限壓電路、線性光電隔離、OP 放大電路、限壓保護電路構成。考慮到外界電網以及待檢測電源的復雜性和系統的安全性，將待測電源與本系統進行隔離設計，為此選擇具有線性磁電耦合隔離作用的順源公司的ISOEM-SD 系列元件。其使用方便，應用領域廣泛，無需外接調節轉換的元器件，即可實現工業現場信號的隔離轉換[4,5,6]。其可以很好的隔離電網干擾，保障系統的安全和穩定。運算放大器選擇具有兩級放大功能的OP484 芯片，其能使系統電源監測范圍得到很好的拓展。

4 采集及顯示設計

為了提高系統對電能質量紋波的檢測精度，系統選擇具有16 位寬的AD7656 采集芯片。其具有八個并行采集端口，使得系統可以同時對多路電源進行監測。為了將實時檢測的數據及需要記錄的保護數值直觀的顯示出來。在此選擇清達光電LCM3202404 顯示屏液晶顯示模塊。該顯示屏采用320×240 點陣顯示，可以實現字符與圖形的多層顯示，界面顯示可以自定義，滿足系統監控的功能需求。該顯示屏采用模塊化一體設計，使用非常方便。

5 控制器及擴展接口設計

本電路單元的嵌入式控制芯片采用T1 公司的TMS320 F2812 型號的DSP 芯片；各路輸入的電壓電流經過隔離、濾波放大處理后，進行AD 采樣。DSP 將AD 采樣數值運算處理之后將電能質量狀態顯示在液晶屏上。當一路或多路輸入出現過壓過流現象時，DSP 控制繼電器切斷輸入接口，對系統進行保護[7,8]。

考慮到應用領域及工作方式的不同需求，系統還設計了一些擴展接口。擴展接口可以實現工作模式及保護參數的自由設置。另外基于DSP 芯片自帶的CAN 總線及SCI 接口可以實現系統的聯網及遠程監控。基于DSP 芯片的SPI 接口可以擴展存儲器，實現監測數據的記錄，這些在需要數據記錄的環境試驗中很有必要。

6 系統測試

系統通電后會首先檢測工作模式及保護參數設置模塊的工作模式參數，根據不同的工作模式對液晶屏進行初始化，畫出背景界面，接著系統會提示操作人員進行相應通道的保護參數進行設置并確認。以上設置內容完成之后，系統會進入對通道信號參數進行采集及控制的循環過程中。

試驗選擇對48V、70V 直流電源進行監控測試，兩個電源的保護電壓數值分別設定為最大50V 和80V，保護電流設定為最大3A。工作模式設定為若被監測電源的電壓、電流數值超過設定的保護數值，系統進行電源切斷操作，實驗過程如圖2 所示。

圖2 系統測試圖

經過測試，系統能夠實現對電源的實時監測和保護，系統穩定性好，符合設計預期。

7 結束語

同市面上的一些電源監測控制系統相比，本系統的AD 采集通道也即是模擬信號處理通道數量高達8 通道，還可根據需要進一步擴展。其對所監測電源的操作模式有三種：定時對采集的電源通道進行斷開或者接通，對達到設定保護參數的電源進行斷開或者接通，只對達到設定的保護參數的電源參數及時間記錄保存在一個固定文件中，等待工作人員拷取參數。系統的工作模式以及電源的保護參數可以通過相應的設置模塊設置，增加了系統應用的靈活性。另外，除了應用于電能質量參數的監控之外，本系統對于涉及模擬信號監測，控制的領域都具有通用性。